Textilní propojovací vícevodičové stuhy s vysokou elektrickou vodivostí

Datum 27.09.2021

Foto: Miloš Ferkl

S poměrně bouřlivým celosvětovým rozvojem e-textilií a smart textilií se do popředí zájmu dostala problematika vedení nebo sběru elektrického signálu v rámci vlastních textilií. 

Díky možnosti získat státní podporu na projekty výzkumu a vývoje se našim vědeckým pracovníkům podařilo vyvinout celou řadu vodivých nití, které se liší jednak vzhledem, účelem použití, nebo mechanicko-fyzikálními parametry, ale především rozdílnými elektrickými charakteristikami – elektrickým odporem, který určuje možnost specifického použití nití, např. pro vyhřívání nebo jako náhrada vodiče. 

Příležitosti v tomto odvětví se chopila také akciová společnost VÚB s elektrotechnickou fakultou Západočeské univerzity v Plzni  a Textilním zkušebním ústavem, s.p. V okamžiku, kdy měli k dispozici různé typy nití, rozhodli se pokračovat ve výzkumu a vývoji textilních elektronických prvků pro oblast smart textilií a to zejména v možnosti  implementace těchto nití do stuh, ať již pevných nebo především pružných.

Vodivé textilní stuhy – je možné uplatnit v rozmanitých oblastech textilií, kde se s úspěchem využívá vlastností a parametrů speciálních stuh. Během přípravy pružné/pevné vodivé stuhy se do její struktury vetkává různé množství vodivých nití, které pak umožňují vedení elektrického proudu. 

Tyto vodivé stuhy nabízí široké možnosti uplatnění a to především v oblasti e-textilií, která v poslední době získává čím dál silnější pozici v textilní „high tech“ doméně nositelné elektroniky. Elektricky vodivé pružné stuhy lze s výhodou využívat jako sběrnice nebo jako „textilní vodiče“ všude tam, kde je vyžadována proměnlivá délka vodivého prvku, aniž by byl během změny délky ovlivněn jejich elektrický odpor. Na tyto stuhy je navíc možné umisťovat elektronické komponenty jako jsou např. LED diody, senzory či konektory. Pružné vodivé stuhy tak umožňují snadný a spolehlivý způsob realizace e-textilií. Provedení a topologie pružných stuh s vodivými drahami realizovanými pomocí hybridních vodivých nití je chráněno českým patentem č. 308 614 „Vodivá pružná tkaná stuha“.

Výroba stuh, ať již pružných či pevných, je jednou ze specifických výrob plošných textilií. Mezi stuhy lze zařadit textilií od nejužších šířek v řádech jednotek milimetrů až do cca 50 cm šířky, což je obecně největší šířka, která se ještě zařazuje do kategorie stuh. Pružné stuhy se vyrábí v objemu cca 25% celé výroby stuh a výroba tohoto specifika se nijak zvlášť od výroby pevných stuh neliší. Vlastní pružnost stuhy je zajištěna přítomností pružné  složky, která může být ve formě elastických vláken nebo klasické gumičky z přírodního kaučuk. Obvyklou mezní hodnotou tažnosti pružné stuhy je hodnota 200 %.

Vyvinuté pružné a pevné vodivé stuhy kombinují vlastnosti klasických (pružných/pevných) stuh a hybridních vodivých nití, které se do těchto stuh zatkávají. Vzniká tedy nový produkt, který kombinací mezioborových vlastností (elektrotechnika – textil), získává nové možnosti uplatnění v již zmiňované oblasti e-textilií. 

V průběhu výzkumu a vývoje byly postupně vyvinuty různé typy a druhy pružných stuh, které se lišily především účelem jejich použití a tedy množstvím a strukturou implementovaných hybridních vodivých nití.  Nejpoužívanějšími pružnými stuhami jsou následující dva typy:

1. Jednovodičová pružná stuha

Schéma a foto: Miloš Ferkl

Jedná se o pružnou stuhu s jedním širokým vodivým pruhem, který je složen z několika jednotlivých vodivých hybridních. Tato stuha může být využita např. jako sběrná elektroda pro textilní vyhřívací prvky. Dle potřeb je možné zvětšovat šíři vodivého pruhu (více vodivých nití) a zvyšovat tak proudovou zatížitelnost (snižovat elektrický odpor), nebo naopak zmenšovat jejich počet a snižovat šířku stuhy.

2. Vícevodičová pružná stuha

Schéma a foto: Miloš Ferkl

Tento typ pružné stuhy je typem „vícevodičové“ stuhy, kdy ve stuze může být umístěno více vzájemně elektricky oddělených vodivých drah, obvykle 2, 3 nebo čtyři. 

Takové stuhy potom mohou být využity jako náhrada vodičů a sběrnic v textilních výrobcích. Obrovskou výhodou oproti konvenčním vodivým stuhám je možné vytvářet odbočky a stromové struktury, neboť vodivé dráhy jsou přístupné z jedné či obou stran stuhy. 

Další významnou předností vyvinutých stuh je možnost osazovat přímo na jejich povrch elektronické součástky, jako jsou LED či senzory a kontaktovat je metodami nízkoteplotního pájení či lepení. Tyto stuhy je rovněž možné přímo kontaktovat pomocí krimpovacích konektorů se standardní roztečí vývodů používanou v elektronickém průmyslu.

Použití těchto stuh je velmi různorodé, příkladem může být pružná stuha s integrovanými LED diodami.

Pružné stuhy s vodivými drahami jsou charakteristické následujícími vlastnostmi:

  • Vysoká elasticita – natažení až o 70 %.
  • Počet vodivých drah ve stuze zpravidla 1-4 
  • Standardizovaná rozteč vodivých drah 2,54 mm (pro stuhy s dvěma a více drahami).
  • Šířka stuhy obvykle 8 – 12 mm dle provedení.
  • Bílé provedení s barevným značením první dráhy případně barevné provedení dle použití. 
  • Hybridní nitě použité ve stuze mohou obsahovat izolované, případně neizolované mikrodrátky.
  • Pájitelné, svařovatelné, krimpovatelné.
  • Možnost přímého osazovaní SMD součástek na vodivé dráhy nízkoteplotním pájením (SnBi) nebo lepením. 
  • Lineární odpor jedné vodivé dráhy <1 Ω/m nezávislý na natažení.
  • Odolnost vůči ohybu: 30 000 ohybových cyklů s poloměrem 2,5 mm. 
  • Odolnost vůči natažení (pro izolované provedení mikrodrátků):
    • 60 000 cyklů natažení o 20 %.
    • 25 000 cyklů natažení o 30 %.
    • 5 000 cyklů natažení o 50 %.
    • 3 000 cyklů natažení o 70 %.
  • Odolnost vůči automatickému praní: 90 pracích cyklů 4N (40±3) °C prací prostředek: typ 3 (ECE), sušení rozprostřením, ČSN EN ISO 6330. 
  • Odolnost vůči oděru: 20 000 otáček (MARTINDALE SDL, typ M 235, celková hmotnost zatížení: (795±2) g, jmenovitý přítlak: 12kPa, ČSN EN ISO 12947-2).
  • Zdravotní nezávadnost.

Výroba a především užití pevných nebo pružných vodivých stuh posouvá možnosti integrace elektronických prvků do textilií na výrazně vyšší úroveň. 

Vodivé stuhy mohou sloužit nejen jako nosiče jednotlivých elektronických součástek nebo celých elektronických modulů, ale zároveň mohou složit jako propojovací vodiče nebo sběrnice. Další výhodou je široká variabilita a možnost výroby vodivých stuh na míru přesně odpovídající požadovaným parametrům, tj. je například možné změnit proudovou zatížitelnost, elektrické charakteristiky vodivých elementů, počty vodivých elementů, roztečí vodivých drah a v neposlední řadě i šířku celé stuhy v poměrně velkém rozsahu. 

Výhodou pružných vodivých stuh je rovněž jejich vysoká odolnost během užívání a údržby (praní), která umožňuje dosažení dlouhé životnosti výsledných e-textilních produktů.

Miloš Ferkl a Jan Řeboun,
zdroj: VÚB a.s.,

Volty 700 x 200 px

Komentáře